基于MATLAB的四相相移键控（QPSK）通信系统仿真

PAGE分类号编号烟台大学文经学院毕业论文（设计）基于MATLAB四相相移键控（QPSK）通信系统仿真SimulationofQPSKcommunicationsystembasedonMATLAB申请学位：工学学士系别：电子信息与计算机科学系专业：通信工程班级：姓名：学号：指导老师：烟台大学文经学院基于MATLAB的四相相移键控（QPSK）系统仿真姓名：导师：烟台大学文经学院烟台大学毕业论文（设计）任务书院（系）：电子信息与计算机科学系姓名学号毕业届别专业通信工程毕业论文（设计）题目基于MATLAB的四相相移键控（QPSK）通信系统仿真指导老师学历硕士职称副教授所学专业通讯与电子具体要求（主要内容、基本要求、主要参考资料等）：主要内容：了解通信系统组成及调制解调的方法，QPSK通信系统的基本原理，设计QPSK仿真模型，利用MATLAB进行仿真，并得到QPSK仿真波形。基本要求:着重培养解决实际问题的能力以及初步的科学研究能力，提出方案并论证方案的能力；程序设计的流程分析以及解决细节问题的能力；着重培养软件设计及调试能力；外文阅读、计算机应用能力；撰写设计报告、设计说明书、技术总结和论文的能力；语言表达、思辨能力。主要参考资料：MATLAB程序设计与应用.刘卫国：高等教育出版社；通信原理.樊昌信曹丽娜：国防工业出版社；MATLAB从入门到精通周建兴等编着人民邮电出版社；进度安排：4月1日4月7日：查阅资料，学习MATLAB软件及Simulink模块的应用4月8日-4月14日：通过查资料深一步了解QPSK通信的调制解调的原理框图、组成部分，分析调制解调过程。写开题报告。4月15日-5月10日：利用MATLAB的Simulink模块在通信系统方面仿真QPSK。5月11日—5月17日：调试及波形图的分析，反复调试排除问题，写论文初稿。5月18日—5月30日：修改论文，准备答辩材料。指导教师（签字）：年月日院（系）意见：教学院长（主任）（签字）：年月日备注：[摘要]随着移动通信技术的发展，以前在数字通信系统中采用FSK、ASK、PSK等调制方式，逐渐被许多优秀的调制技术所替代。本论文介绍了QPSK的调制和解调，对于QPSK调制和解调过程如何生成一个仿真模型进行阐述，使用MATLAB软件仿真模拟功能框图，通过对仿真模型的运行，得到信号在QPSK调制解调过程中初始码元、转换码元、调制载波、已调信号、经高斯信道后信号的变化图及时域对比图，同时运用MATLAB自带的QPSK库进行了高品质仿真，减少了误码率。通过软件实现中，可以大大提高设计的灵活性，节省了设计时间，提高设计效率，从而降低了硬件电路设计的工作量，缩短了开发周期。[关键词]QPSK、数字通信、调制、解调、SIMULINK

[Abstract]

As

mobile

communications

technology,

and

previously

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theadoption

of

digital

cellular

system,

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QPSK

technology

is

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wireless

communications

technology

in

a

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modulation

method.ThispaperintroducestheQPSKmodulationanddemodulation，ForQPSKmodulationanddemodulationprocessdescribeshowtogenerateasimulationmodel，TheuseofMATLABsoftwaresimulationfunctionblockdiagram,andthroughthesimulationmodelofoperation,GetinQPSK,modulationsignaldemodulationintheprocessoftheinitialelement,conversionelement,modulatedcarrier,modulatedsignal,signalvariationafterGaussianchannelandtimedomaincontrastfigure,atthesametimeusingMATLABQPSKlibrary'sownhighqualitysimulation,toreducetheerrorrate.Throughsoftwareimplementation,cangreatlyimprovetheflexibilityofdesign,savedesigntimeandimprovethedesignefficiency,reducingtheworkloadofhardwarecircuitdesign,shortenthedevelopmentcycle.[Keywords]

QPSK、Digital

Communication、modulation、demodulation、SIMULINKPAGE1烟台大学毕业论文（设计）目录绪论3通信系统简介42.1通信系统的基本概念42.2数字通信系统42.2.1数字通信概念2.2.2数字通信的特点3.数字相位传输系统53.1数字信号的传输及数字调制53.2二进制相移键控（2PSK）53.2.1基本原理3.2.2调制解调原理框图3.3多进制相移键控（MPSK）63.4QPSK的调制解调原理73.4.1QPSK的调制方法及原理3.4.2QPSK的解调方法及原理4.MATLAB及Simulink简介94.1MATLAB仿真软件简介94.2Simulink功能介绍及特点95.QPSK调制在MATLAB平台上的实现105.1QPSK调制的Simulink实现105.1.1QPSK调制过程的Simulink实现5.1.2QPSK调制过程中主要组件的功能5.2QPSK调制的仿真过程、组件参数设置、波形图115.2.1QPSK调制过程组件参数设置5.2.2QPSK调制仿真过程及波形图6.QPSK解调在MATLAB平台上的实现176.1QPSK解调的Simulink实现176.1.1QPSK解调过程的Simulink实现6.1.2QPSK解调过程中主要组件的功能6.2QPSK解调的仿真过程、组件参数设置、波形图186.2.1QPSK解调过程组件参数设置6.2.2QPSK解调仿真过程及波形图7.QPSK发送信号与调制解调信号对比218.QOSK的模块化仿真228.1模块化仿真实现228.2模块功能介绍228.3模块参数设置248.4码元调制解调前后图对比及误码率比较26结论28参考文献29附录301绪论.人类社会的巨大力量来源于信息的交换，通信促进人类文明和发展的进展。随着经济的不断发展，近年来，通信技术有重大的卓越性能的快速发展，已被社会普遍公认。随着进入21世纪，我国科技飞速发展，国民经济都有了巨大的提高，人民生活水平都有了质的改善。此时，正值我国通信行业迅速发展，各个运营商都在大力发展自己的业务，那么优质的服务就成为了竞争的优势。调制解调在通信系统中起着重要作用。调制是将基带信号变换成适合在信道中传输的已调信号；实现信道的多路复用及改善系统抗噪声性能。而解调是如何从带有噪声干扰和畸变的信道输出信号中，恢复还原原来基带信号。好的调制解调方法可以提高信息传递速度、信息质量、以及信息的安全.调制解调的好坏直接关系到通信的质量。目前应用的主流调制技术为8PSK,16QAM和64QAM.但在建筑物较多、地形复杂的地区就必须用QPSK调制确保信噪比从而确保通信的准确性和有效性，QPSK已广泛应用在通信中的调制和解调，是一个非常重要的现代通信，其误码率随信噪比的增加而减少并最终可能为零。同时QPSK调制方式是目前最常用的一种卫星数字信号、微波通信、宽带接入、有限电视调制方式，因此深入研究QPSK通信系统将对未来通信发展起到重要作用。QPSK调制系统它具有较高的频谱利用率，较强的抗干扰性，在电路上实现也较为简单。使用SUMLINK对QPSK调制、解调进行模拟。具体解决了二进制信息在QPSK调制过程中的串-并变换，解调过程中对已调信号的滤波、抽样判决、并-串变换一系列问题。同时，在国家能源节约计划的原则下，三网融合还大力开展。作为三网之一的通信行业，相信QPSK通信系统的发展将为三网融合贡献出自己的力量。因此，研究QPSK通信具有明确的实际意义。2通信系统简介2.1通信系统的基本概念通信是通过时空来传递信息，要求传输的消息从发送方到接收方。如手势，电报信标和现代社会、计算机通信无线通信、卫星通信。这些都是消息传递的方式和信息交流的手段。进行通信的目的是为了传输信息，通信系统的作用就是将信息从信息源通过各种方式发送到一个或多个目的地。在通信中，要做的第一件事就是把信息转换成电信号，然后通过传输设备改造，处理信号发送到信道，再作相应的处理，在接收信号的接收端转换为原始消息。2.2数字通信系统.2.2.1使用数字信号来传递信息这就是数字传输技术的原理，其涉及的技术问题很多，其中主要有信源编解码、信道编解码、数字调制与解调、同步，和其他加密和解密等，其系统模型如下图2.1所示信息源a信息源a加法器编码器调制器信道解调器译码器解码器噪声源受信者图2.1数字通信模型数字调制就是把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的带通信号。2.2①、抗干扰能力强，而且噪声不会被积累。②、传输差错控制。在数字通信系统中，可通过检错和纠错的信道编码技术，降低了错误率，提高了传输质量。③、便于处理，储存，变换利用现代数字信号处理技术的数字信号。便于将来自不同信源的信号综合到一起。④、易于集成，使通信设备微型化，重量轻。⑤、易于加密处理，且保密性好。3数字相位传输系统3.1数字信号的传输及数字调制发送数字信号的方式为基带和带通传输。未经调制的数字信号所占据的频谱是从零频或很低频开始，称为数字基带信号，在某些具有低通特性的有线信道中，特别是在传输距离不太远的情况下，基带信号可以不经过载波调制，直接传输，传输数字基带信号不用调制，在此直接称为数字基带传输系统。实际上，大多数信道因为具有带通特性而不能直接传输基带信号，为了使数字信号在带通信道中传输，必须用数字基带信号对载波进行调制，这种数字基带信号控制载波、数字基带信号调制成数字带通信号过程称为数字调制。通常把包括调制和解调过程的数字传输系统叫做数字带通传输系统。3.2二进制相移键控（2PSK）3.2.1基本原理二进制相移键控（2PSK）方式是受键控的载波相位按基带脉冲而改变的一种数字调制方式。二进制符号跟基带波形和先前的假设相同，那么，2PSK的信号一般表示为（式3-1）即发送二进制符号0时（取+1）e（t）取0相位；发送二进制符号1时（取-1）e(t)取π相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应数字信息的相位键控，通常被称为绝对相移方式。3.2.22PSK调制有模拟调制法与键控法，分别如图3.1(a)(b)S（t）码变换S（t）码变换相乘载波e（t）载波载波S（t）e（t）移相图3.1（b）键控法3.1中两图都是用载波的0相位跟π相位分别表示码元的0和1.2PSK解调信号，一种方法很容易想到相干解调，在3.3中所示的相应块图

，对应3.3上框图所示，又考虑到相干解调在这里实际上起鉴相作用，故相干解调中的“相乘-低通”又可用各种鉴相器替代，如图3.3下框图所示。图中的解调过程，实质上是输入已调信号与本地载波信号进行极性比较的过程，故常称为极性比较法解调。带通滤波器带通滤波器相乘器低通滤波器抽样判决器本地载波带通滤波器鉴相器抽样判决器本地载波数据输出图3.22PSK解调方法3.3多进制相移键控（MPSK）多进制数字调制的原理是利用多进制的数字信号去调制载波的各个参数，如振幅、频率或者相位，因此，相应地有多进制数字振幅调制、多进制数字频率调制以及多进制数字相位调制等三种基本方式。先讨论M(M>2)相调制波形如何表示。由于M种相位可以用来表示K比特码元的2的K次方种状态，故有。假设K比特码元的持续时间仍为Ts，则M相调制波形可以表示为：公式中受调相位可以有M种不同取值。由此式可以看出，多相调制信号的波形可以看作是对两个正交载波进行多电平双边带调制所得信号之和。通常，多相制中使用最广泛的是四相制和八相制，即M=4或M=8。3.4QPSK的调制解调原理3.4.1QPSK信号的调制产生方法与2PSK信号的调制产生方法类似，可分为相位调制法和相位选择法。（1）调相位调制法。用相位调制法产生QPSK信号的方框图如图3-3所示。主要包括串并转换器，载波振荡器，相乘调制器，相加器。串/并转换器作用是将输入的二进制序列分为两个并行的序列。然后经过两个相乘调制器，调制载波为相干的正弦信号。最后将两路输出信号叠加，即得四相移相信号。串/并转换串/并转换平衡调制器-π/2移相平衡调制器载波振荡相加图3-3QPSK相位调制法框图（2）相位选择法。QPSK信号的相位选择法产生组成方框图如图3-4所示。图中，调相所需的四种不同相位的载波由四相载波发生器来产生并分别送出。根据串/并转换器输出的码元的不同，逻辑选相电路也会随之输出相应相位的载波。串/并转换串/并转换逻辑选相电路带通滤波器四相载波发生器45135225315图3-4相位选择法3.4.2由于两个正交2PSK信号的合成可以看做是四相移相信号，故四相移相信号的解调可以采用与2PSK信号类似的解调方法进行解调，包括2个2PSK信号相干解调器、低通滤波、抽样判决、并/串转换。其组成框图如图3-5所示。相乘器相干载波π/2移相相乘器相乘器相干载波π/2移相相乘器低通滤波器抽样判决低通滤波器抽样判决并/串转换定时定时4.MATLAB及Simulink简介4.1MATLAB仿真软件简介matrix跟laboratory两个词的前三个字母组合成为MATLAB，意为矩阵工厂。由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个视窗环境中，为科学研究、工程设计提供了方便，同时对于有些要进行有效数值计算的学科领域，使用MATLAB将得心应手。MATLAB的基本数据单位是矩阵，所以使用起来要比用C语言，FORTRAN等语言简捷得多，同时MATLAB也吸收了其他软件的优点，将MATLAB设计成为一个强大的数学软件。新版本中有些程序可以直接调用，也可以将自己提前编写完成的程序导入到MATLAB库中方便自己调用或者与朋友分享。4.2Simulink功能介绍及特点功能：（1）Simulink是MATLAB中的一个模块，可视化框图仿真模块，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。（2）Simulink可以用多种采样时间进行建模，它也支持多速率系统。同时，Simulink还提供了一个创建模型方块图的GUI，这个创建过程简单方便，并且可以立即看到仿真结果。特点：（1）预定义模块库丰富，并且可以根据自己的需要扩充（2）模块图丰富直观，可以通过交互式的图形编辑器来管理，方便快捷（3）设计过程模块化，各模块不相干扰，实现对复杂设计的管理。（4）提供用于与其他仿真程序相连接或与手写代码集成的实用API。5.QPSK调制在MATLAB平台上的实现5.1QPSK调制的Simulink实现5.本论文采用simulink对QPSK调制过程进行仿真，调制仿真电路图如下图5.1：5.1调制仿真电路图首先在simulink原件库中选取图示元器件，有buffer、randominteger、gain、constant、sinewave、product、add、AWGNchannel、scope。连接仿真图，设置参数，scope5示波器观察上支路双极性码元、正弦载波、已调信号三路。Scope4示波器观察下支路双极性码元、正弦载波、已调信号三路。对原始信号先经三个buffer组成的串并转换器变换成两路信号，分别将单极性信号变为双极性信号（在原信号基础上乘2减1），再与两个相干的载波信号相乘进行调制，最后两路信号相加得到QPSK信号，经过AWGN信道后再进行解调。5.（1）串/并转换器如图5.25.2串/并转换器此模块由三个buffer加demux连接组成，把一路输入变为两路输出。功能：此模块组是实现将一路串信号转换按照奇数位输出一路信号，然后按照偶数位输出另一路信号，即所谓的串/并转换器。（2）单极性信号变双极性信号模块组如图5.35.3单极性信号变双极性信号模块组此模块由一个常数器、倍数放大器和加法器组成。将原来二进制信号进行乘2减1完成转换。功能：此模块组是实现将单极性二进制随机信号转换成双极性二进制信号，方便调制传输。（3）正弦相干载波产生器如图5.45.4正弦相干载波产生器此模块由正弦信号发生器跟乘法器组成。实现信号与载波的相乘调制。功能：此模块组实现给输入的信号加相干正弦载波，完成调制。（4）加法器如图5.55.5加法器功能：加法器将并行的两路已调信号相加，输入为QPSK信号。5.2QPSK调制解调的仿真过程、组件参数设置、波形图5.图5.6信源与串并转换参数设置Randominteger作为模拟信号源，发出码元序列M-arynumber设置为2其将产生0,1序列，buffer设置缓冲区为2，每当缓冲数据两个时输出到后面两路buffer。图5.7串并转换器参数设置Buffer2和buffer1缓冲区设置为1，每当buffer满两个数据输出时buffer2跟buffer1每个接收buffer发送的一个数据然后输出，实现了串并转换。图5.8调制正弦波参数设置上下两支路正弦载波设置为幅度1，频率为8π，相位分别为0和π/2，因为QPSK信号可以看成是两路由正交载波调制的2PSK信号之和。图5.9高斯信道参数设置5.图5.10仿真参数设置设置仿真参数，仿真时间为1000，开始仿真。波形图：（1）原始随机信号、串转并上支路、串转并下支路图5.11原始随机信号+串转并上支路+串转并下支路信号波形（2）上支路双极性信号、上支路载波、上支路已调信号。可以从波形中看出上路已调信号有两种不同相位，所以下路已调信号也是两种相位，相加可的四种相位。图5.12上支路双极性信号+上支路载波+上支路已调信号（3）下支路双极性信号、下支路载波、下支路已调信号图5.13下支路双极性信号+下支路载波+下支路已调信号（4）QPSK信号、经过AWGN信号后QPSK信号由此可以看出经过信道后QPSK信号受到噪声干扰，幅度变大。图5.14QPSK信号+经过AWGN信号后QPSK信号6.QPSK解调在MATLAB平台上的实现6.1QPSK解调的Simulink实现6.1.1QPSK采用simulink对QPSK解调过程进行仿真，解调仿真电路图如下图：图6.1解调仿真电路图首先在simulink元件库中选取product、sinewave、analogfilterdesign、sign、relationaloperator、constant、pulsegenerator、unitdalay、switch、scope。连接仿真图，设置参数，scope2观察上下支路解调信号、解调信号经低通滤波后的信号，scope5观察上下支路解调的单极性码元。Scope3观察的是原始码元跟解调码元，进行对比观察仿真是否合理经过AWGN信道的信号分别经两路相干的正弦波解调，然后经过低通滤波，进行抽样判决成为二进制信号，并/串转换器将两路信号合并成一路信号完成解调。6.1（1）抽样判决器如图6.2图6.2抽样判决器此模块作用为对输入信号进行抽样判决的作用，输出为二进制信号。（2）并/串转换器如图6.3图6.3抽样判决器功能：此模块实现将奇数位信号和偶数位信号合成并一路串信号，即所谓的并/串转换器6.2QPSK解调的仿真过程、组件参数设置、波形图6.图6.4解调正弦波参数设置设置解调正弦波的振幅为1，频率为8π，相位为π/2跟0，两路相干的正弦波对经过信道的信号进行解调图6.5抽样判决器参数设置设置抽样判决器的参数为大于等于，当信号大于等于0时输出为1.6.设置仿真参数，仿真时间为100，开始仿真。波形图：（1）上支路经正弦相干解调+经低通滤波+经抽样判决图6.6上支路经正弦相干解调+经低通滤波+经抽样判决信号波形（2）下支路经正弦相干解调+经低通滤波+经抽样判决图6.7下支路经正弦相干解调+经低通滤波+经抽样判决7.QPSK发送信号与调制解调信号对比为了最后能够更好的验证此次课题的正确性，将QPSK调制与解调过程放置于一个系统中。所以从理论上来说，信号源发送的二进制随机信号经过调制之后，再经过解调，结果得到信号应该与信号源发送的二进制随机信号相一致。经验证，解调后的波形和调制前的波形基本上是相一致，波形如图所示，图7.1调制解调信号波形对比图由此图也可以看出，此种方法调制解调后的误码率还是比较高的，主要是因为仿真中用到了3个buffer模块，此模块不仅会产生与缓冲区大小的延时还会产生较高的误码率，所以要对仿真进行改进。Simulink中模块库中有现成的QPSK调制与解调模块，如下图图7-2QPSK调制解调模块这两个模块就是QPSK的调制解调模块，所以下面将介绍QPSK的模块化调制解调。8.simulink模块化QPSK系统的仿真8.1模块化仿真实现由于采用buffer会产生时延，误码率较高，所以在设计时采用simulink里已有的QPSK调制模块QPSKModulatorbaseband和解调模块QPSKDemodulatorBaseband对信号进行调制和解调，信号源采用随机信号源RandomIntegerGenerator,搭建出QPSK的调制解调仿真图，如图8.1所示：图8.1QPSK的调制解调仿真图对该信道进行了改良，加入Square

root模块，目的是为了使系统性能得到提高，由于加入了Square

root模块，信号有了改变，对信道有了一定的影响，所以我们引入了变数部分的时延，因此输入了2.66的延时。后面再加上相位频率偏移，这样的调制比较适合在高斯信道中传输，减少噪声对信号的影响，在经过Square

root后恢复信号找回原来的滤波信号，再通过解调，就得到了原信号。在此原理图中我们从调制端引出（Goto）了一个信号，然后在输入（From）解调端。最后通过ErrorRateCalculation模块统计出误码率。8.2模块功能介绍（1）随机整数发生器图8.2随机整数发生器随机整数生成器块产生均匀分布的随机整数范围(0,M-1)，用来模拟QPSK通信过程中四种不同的符号。0代表二进制00,1代表二进制01,2代表二进制10,3代表二进制11.（2）QPSK调制解调模块图8.3QPSK调制解调模块QPSK调制模块使用四相相移键控方法产生QPSK基带信号。输出是一个已调信号的基带表示。QPSK解调模块解调使用四相相移键控调制方法产生的信号。输入是一个已调信号的基带表示。（3）平方根升余弦传输滤波器+平方根升余弦接收滤波器图8.4平方根升余弦滤波器升余弦成形滤波器是常用的低通滤波器，升余弦滤波器的传输函数是整个系统的合成传输函数

H(f)，即从发送端开始，经信道到接收滤波器的整个传输函数。接收端的滤波是对整个传输函数的补偿，它使得整体传输函数成为一个能够满足奈奎斯特第一准则（实现无码间串扰）的传输函数。通常，把它放置在收发两端，即将接收滤波器和发送滤波器设计（匹配）为平方根升余弦函数。（4）延迟模块图8.5延迟模块VariableFractionalDelay给发送信号加延时，增加模拟信号在传输过程中的延时。（5）相位/频率偏移模块图8.6相位/频率偏移模块对信号的相位或者频率进行偏移，使其比较适合在高斯信道中传输，减少噪声对信号的影响。（6）定时恢复图8.7定时恢复SquaringTimingRecovery是平方定时回复算法，和其它定时回复算法结构一样，差别只在定时误差检测器算法的不同，补偿接受信号在传输过程中的定时误差，需要四倍的码元速率进行解调（7）相位恢复图8.8相位恢复对QPSK信号的四种调制相位的恢复，用于信号的解调。（8）误码率分析图8.9误码率分析对信号调制前与解调后进行分析，计算误码率。8.3模块参数设置图8.10调制解调模块参数设置图8.11平方根升余弦滤波器参数设置图8.12延迟模块、相位/频率偏移模块参数设置图8.13随机整数发生器、高斯信道参数设置图8.14相位恢复与定时恢复模块参数设置图8.15缓冲器与误码率计算模块参数设置8.4码元调制解调前后图对比及误码率比较波形图：调制解调星座图图8.16调制解调星座图调制前与解调后码元图图8.17调制前与解调后码元图由此图可以看出采用simulink的专业库中QPSK调制解调模块的方法产生的波形好误码率低，其次也可以知道QPSK的误码主要来源于高斯信道的噪声干扰，以及信号的码间串扰。其次由于位定时不准确也会造成抽样判决错误，导致信号与原始信号不同，产生误码。结论经过研究两个多月，终于完成了基于MATLAB的QPSK系统的仿真。